アベンジャーズの一員として、ソー（クリス・ヘムズワース）がニューヨークで激闘を繰り広げてから1年。ロンドンで謎の重力異常が起き、その調査を天文物理学者ジェーン（ナタリー・ポートマン）が行うことに。しかし、その過程で地球の存亡を左右するダークエルフのパワーを宿してしまう。愛する彼女を救うすべを探ろうと、ソーは彼女を連れて神々の世界アスガルドへと向かうが、それが家族や故郷にも危機をもたらしてしまう。窮地に陥った彼は、血のつながらない弟ロキ（トム・ヒドルストン）に助けを求める。